Qualitätssicherung bei Brennstoffzellenfahrzeugen

Andreas Mühlbauer,

6 Dichtheitsprüfaufgaben bei der Fertigung von Komponenten für FCEV

Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) führen ihre Antriebsenergie in Form von Wasserstoff mit sich.

Test einer Brennstoffzelle. © Inficon

In der Brennstoffzelle entsteht bei der kontrollierten Reaktion von Wasserstoff mit Luftsauerstoff Wasserdampf – und der Strom, mit dem die Elektromotoren des Fahrzeugs betrieben werden. Grundsätzlich ist Wasserstoff allerdings leicht entzündlich, und zwar in einem breiten Konzentrationsbereich von 4 bis 73 Prozent Wasserstoff in Luft. Schon deswegen spielt die Gasdichtheit der wasserstoffführenden Komponenten bei der Fertigung von FCEVs eine sehr große Rolle.

Prinzip des Brennstoffzellenfahrzeugs. © Shutterstock/metamorworks

Inficon, Spezialist für Dichtheitsprüfung und Lecksuche, hat die vielfältigen Prüfaufgaben an Brennstoffzellenfahrzeugen ausführlich untersucht. Eine Erkenntnis: Grenzwerte und Prüfmethoden werden von den möglichen Versagensmodi der Bauteile bestimmt. Die folgenden sechs FCEV-Komponenten brauchen eine besonders zuverlässige Dichtheitsprüfung.

1. Das Herzstück: die Bipolarplatte

Prüfszenarien von Brennstoffzellen. © Inficon

Der Fuel Cell Stack ist gleichsam das Herz eines Brennstoffzellenfahrzeugs. Und das Herz des Fuel Cell Stacks sind seine Bipolarplatten. Die elektrisch leitenden Bipolarplatten verbinden die Anode der einen Zelle mit der Kathode der anderen. Zwischen den Endplatten des Stacks sind mehrere Bipolarplatten geschichtet, jeweils durch Membran-Elektroden-Einheiten getrennt. Jede Bipolarplatte enthält zwei Hohlräume für die Prozessgase Wasserstoff und Luftsauerstoff und meist auch eine interne Kühlschleife. Natürlich soll aus den Bipolarplatten kein Wasserstoff nach außen austreten. Auch darf es keine unkontrollierten Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktionen durch sogenannte Crossover-Lecks zwischen Anode und Kathode geben. Die Bipolarplatten sollten darum mit der empfindlichen Vakuummethode getestet werden: in einer Vakuumkammer mit Helium als Prüfgas. Die Grenzleckraten liegen dabei im Bereich 10-4 bis 10-5 mbar∙l/s. Allerdings werden – immerhin geht es um Wasserstoff – durchaus auch hundertfach kleinere Grenzleckraten von 10-7 mbar∙l/s diskutiert.

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2. Zuverlässige Kühlkreisläufe

Bipolarplatten verfügen über einen Hochtemperatur-Kühlkreislauf. Um Kurzschlüsse zu vermeiden, darf das Kühlmedium nur eine geringe Leitfähigkeit haben: In der Regel verwendet man deionisiertes Wasser mit einem Frostschutzzusatz. Die Flüssigkeitsdichtheit des Kühlkanals erfordert eine Prüfung gegen Leckraten im Bereich von 10-3 bis 10-4 mbar∙l/s – denn das Wasser selbst verschließt Lecks dieser Größe. Auch hier empfiehlt sich in der Fertigungslinie der Einsatz der Vakuummethode. Denn sie verbindet hohe Zuverlässigkeit mit kurzen Taktzeiten. 

3. Montierte Fuel Cell Stacks

Sind die Bipolarplatten zu kompletten Fuel Cell Stacks zusammengebaut, ist die Zeit für End-of-line-Tests. Hier dient ebenfalls Helium als Prüfgas, denn alle Prüfungen mit Wasserstoff bergen das Risiko, dass die Brennstoffzelle ungewollt Strom produziert. Hinzu kommt, dass Groblecks im Wasserstoffkreislauf schnell zu zündfähigen Wasserstoffkonzentrationen von mehr als 4 Prozent in Luft führen könnten. Welche Grenzleckrate für den komplettierten Fuel Cell Stack noch akzeptabel ist, hängt in hohem Maß auch von der konkreten Einbausituation im Fahrzeug ab. Bei welcher Leckrate eine zündfähige Wasserstoffkonzentration entstehen kann, hat letztlich ebenso mit dem Volumen zu tun, das den Fuel Cell Strack umgibt, wie mit dem Luftaustausch dort. In der Praxis prüft man assemblierte Brennstoffzellenstacks meist gegen Helium-Grenzleckraten im Bereich 10-3 bis 10-5 mbar∙l/s.

4. Wasserstoffrezirkulation und Medienverteilerplatte

Wasserstoff und der Luftsauerstoff werden den Membran-Elektroden-Einheiten der Bipolarplatten überstöchiometrisch zugeführt. Anders gesagt: Bei der Reaktion bleiben immer Reste der beiden Gase übrig. Hier kommt die Wasserstoffrezirkulation der Brennstoffzelle ins Spiel. Die Prozessgasreste durchlaufen zunächst einen Wasserabscheider, dann wird der Wasserstoffanteil rezirkuliert, um erneut zur Verfügung zu stehen. Neben den Dichtheitsprüfungen an der Wasserstoffrezirkulation sind auch an der Medienverteilerplatte einer Brennstoffzelle noch Tests erforderlich. Sie leitet Wasserstoff, Luft und Kühlmittel. Zudem sind diverse Ventile und Pumpen zu prüfen. Bei all diesen wasserstoffführenden Komponenten empfehlen sich Tests gegen Leckraten in der Größenordnung von 10-4 bis 10-6 mbar∙l/s.

5. Wasserstofftankkörper mit hohen Betriebsdrücken

In FCEVs werden meist sogenannte Typ-IV-Tanks aus Verbundwerkstoffen verbaut. Solche Tanks für Pkw sollen Betriebsdrücken von bis zu 700 bar widerstehen. Sehr große Wasserstofftanks für Busse müssen bei Betriebsdrücken von bis zu 350 bar dicht bleiben. Internationale Normen definieren die maximal zulässigen Permeationsraten. Nach der ISO 15869 B.16 ergibt sich so bei einem Pkw-Wasserstofftank mit 30 l Kapazität und 700 bar Druck eine Helium-Grenzleckrate von 2,3 ∙ 10-2 mbar∙l/s. In der Praxis werden Wasserstofftanks aber oft nicht bloß den Normen entsprechend geprüft, sondern gegen noch kleinere Leckraten im Bereich 10-3 mbar∙l/s – denn jede Leckrate über der Permeation des Materials ist der Beleg für ein reales Leck. Bei der Vorprüfung der Tankkörper wendet man neben der Vakuummethode auch die Akkumulationsmethode mit Formiergas an – ein handelsübliches und unbrennbares Gemisch aus 5 Prozent Wasserstoff und 95 Prozent Stickstoff. Dabei misst man, wie viel Wasserstoff-Prüfgas in einem definierten Zeitraum austritt und in einer einfachen Prüfkammer akkumuliert.

6. Die Prüfung kompletter Tanks mit allen Armaturen

Auch nach dem Zusammenbau des Tankkörpers mit allen Armaturen – Befüll- und Auslassventile sowie Drucksensoren – ist noch ein Test nötig: die sogenannte Schnüffellecksuche. Der fertige Tank wird dazu entweder mit Helium oder Formiergas befüllt und dann abgedichtet. Nun kann eine Schnüffelspitze an der Oberfläche des Tanks entlangfahren – vor allem an den Verbindungsstellen zu den Armaturen als den neuralgischen Punkten. Bei der automatisierten, dynamischen Schnüffellecksuche führt ein Roboterarm die Schnüffelspitze. Dies vermeidet die Fehlerquellen menschlicher Prüfer und sorgt für maximalen Durchsatz. Allerdings müssen die Schnüffellecksuchgeräte dafür einen besonders hohen Gasfluss aufweisen, weil der Roboterarm die Schnüffelspitze nur so schnell genug und mit dem nötigen Sicherheitsabstand über das Prüfteil bewegen kann. Die Grenzleckraten bei den Dichtheitsprüfungen an fertigen Wasserstofftanks liegen im Bereich 5∙10-2 mbar∙l/s.

„E-Mobilität: Dichtheitsprüfung für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben“

Ein umfassendes E-Book von Inficon behandelt die vielfältigen Prüfaufgaben bei der industriellen Fertigung von Komponenten für Battery Electric Vehicles (BEV), Plug-in Hybrid Electric Vehicles (PHEV) und Fuel Cell Electric Vehicles (FCEV). Es steht hier zum kostenlosen Download zur Verfügung.

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